CFB锅炉汽包水位的专家PID控制

　　机电工程托年第卷第期是川仄锅炉汽包水位的专家控制俞海斌，褚健（浙江大学先进控制技术研究所工业自动化国家重点实验室，浙江杭州摘要讨论了一种专家系统与实时控制相结合的实时专家控制方法，并用此方法控制热电厂循环流化床锅炉凡山祖简称锅炉的汽包水位，使得锅炉水位即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持自控，现场投运获得了良好的控制效果。

　　关键词循环流化床锅炉锅炉专家控制实时专家系统中图分类号二厂理文献标识码文章编号一0以〕一七玫匆il一加晓J认己2从记己貂瓜刀必从l之及耐凡，石石刁打及汉咖动刀汉乒俪。

　　从切邵产功加n犯咖习七心侧江田诫如山洲洲耐一详问题的提出锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，它间接地反映了热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧了锅炉负荷和给水的平衡关系。

　　维持汽包水位是保持汽机和提高了锅炉的工作压力，使给水调节阀和给水管道锅炉安全运行的重要条件。

　　锅炉汽包水位过高，会影响汽包系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结求。

　　果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时会使过热蒸从工业现场的应用来看，对于负荷比较稳定煤质比较汽汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全固定燃烧比较平稳的锅炉尤其是火电厂的煤粉锅炉锅性汽包水位过低，则由于汽包内的水量较少，当负荷很大炉汽包水位的自动控制系统在稳定的工况下一般可以投入时，水的汽化速度很快，因而汽包内的水量变化速度很快，如自动，但在系统动态特性大幅度变化的情况下，却仍然需要不及时有效控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉被熟练操作人员的手动控制，分析原因，我们认为可能有下面烧坏或爆炸。

　　因此，锅炉汽包水位控制是维持锅炉安全运行几个方面的重要控制回路。

　　管制给水，来自其它锅炉给水系统及给水泵的扰锅炉汽包水位控制策略已进行了多年的理论研究，也已动，导致锅炉给水压力不断变化，有时不能达到正常的给水形成了包括单冲量双冲量三冲量在内的多种成熟的控制压力值方法。

　　但在具体的工业现场，却仍不能保证水位控制的自控热电厂供热供汽用户的负荷扰动往往过于剧烈，导高投运率，其中的一个原因恐怕是近年来锅炉参数的提高和致蒸汽压力的不断变化。

　　容量的扩大，对给水系统提出了更高的要求，这种要求具体由于煤种煤质的变化或其它因素导致的燃烧系统表现在的不稳定导致汽包水位的经常变化。

　　汽包的个数和体积减少，使汽包的蓄水量和蒸发面以上几方面的扰动往往不同程度的导致汽包水位出现积减少，从而加快了汽包水位的变化速度虚假水位的现象，在不同的负荷下还会出现不同程度的时日期二2创〕一俞海斌（卜男，博士，主要从事智能控制专家控制模糊控制预测控制及其在工业过程中的应用电厂热工控制系统（循环流化床锅炉链条炉煤粉炉等）的先进控制策略研究。

　　耐咖洲机电工程X幻年第卷第期滞和非*小相位特性。

　　汽包水位的这种在不同阶段动态特性不断变化的特性使得采用单一结构和参数的三冲量控制方法达不到满意的控制效果。

　　若考虑采用各种自适应或参数自校正的算法会使系统结构复杂整定困难，在现场工况变化的情况下无法得到理想的使用效果。

　　本文基于现场操作经验，采用实时专家控制系统的思路，构造了一种专家系统与实时控制相结合的实时专家控制方法来控制热电厂锅炉的汽包水位，使得锅炉水位即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持自控，获得了良好的控制效果。

　　邓锅炉汽包水位过程特性图是锅炉汽包的一个简单示意图，水位控制的要求就是维持汽包内水位在某个要求的范围内一般要求稳定工况在士内，特殊波动在土主要通过调节给水量来控制水位的稳定。

　　汽包量而直线下降。

　　如图曲线所示蒸汽量增大初期，因水中气泡容积增大导致水位暂时先上升，由于气泡容积只能增大到汽包压力水平，故这种上升是有限的，一段时间后，汽包压力就达到稳定，水位也不再上升，如曲线曲线即为两者的综合效果，即汽包水位变化的实际效果。

　　一口尹峭，图蒸汽扰动时水位变化图曲线可以看成一个近似的积分环节，曲线近似为一个惯性环节，则曲线b（实际汽包水位对蒸汽扰动的响应可以近似为一个积分环节和一个惯性环节的并联，如图尔。

　　口了冰J长了、、/才吸、图锅炉汽包简单示意图一锅炉给水一产生的蒸汽一炉膛下降水冷管一炉膛上升水冷管从质量平衡的观点来看，在调节过程中如能一直保证静态平衡，给水量二蒸发量，即W二质量流量），则水位就能一直维持在位。

　　但实际系统是动态的，给水压力主蒸汽压力在调节中一直在不断的变化，而且流量的温压补偿通常也只是经验的近似的。

　　因为系统太复杂，无法求得实时精确的给水及蒸汽质量流量，所以我们通过汽包水位来间接地反映水系统的质量平衡。

　　控制汽包水位在要求的值的一个首要条件是必须得到真实的汽包水位测量值。

　　遗憾的是，汽包水位控制中存在着明显的虚假水位现象。

　　要设计满意的控制器必须对其进行深人分析。

　　对于锅炉汽包，负荷升高时，蒸汽流量增大，导致汽包内水蒸汽压力突然降低，水的沸点也相应降低，沸腾加剧，水面下气泡容积增大，从而导致水位突然升高另一方面，给水流量突然增加时，温度较低的给水从原有的饱和汽水混合物中吸取一部分热量，使水面下气泡容积减少，水位下降。

　　这种在蒸汽流量或给水流量变化初期，汽包水位沿着相反方向变化的现象人们称之位虚假水位从控制上来讲，虚假水位实际上就是非*小相位系统。

　　我们以蒸汽流量的增加对汽包的影响为例进行分析。

　　在给水不变的情况下，负荷提升，导致蒸汽流量增加，如果不考虑其它因素的影响，则汽包水位由于蒸汽流量大于给水流图蒸汽流量扰动下汽包水位对象方框图用传递函数表示式）分别表示曲线和曲线二十协则曲线可表示为偏仇（双户青一助令青一则蒸汽流量扰动下汽包水位的动态特性为偏勺（一郁同理可求得给水流量扰动下汽包水位变化的动态特性几（气（一甲赚机电工程刃年第卷第期吐改组诫是现一般均大于。，因此给水扰动及蒸汽扰动对汽包水位的动态系统为非*小相位系统。

　　由控制理论知识我们知道，对于非*小相位系统，采用简单的形如人。

　　不万）式中凡，双分别为比例积分系数一采样周期固定参数控制器难以有效地控制系统的过渡过程。

　　现场控制的实践也证明了上面的观点。

　　考虑方案的改进，*自然的想法是希望控制系统自动地调整控制器参数和结构，以更好地适应系统动态的变化。

　　由于锅炉系统的复杂性和建模的困难，基于数学模型方法的自适应或自整定方法在实际控制的实现仍是困难的。

　　而成功的控制仍然有赖于有运行经验的工程师。

　　基于专家经验的专家控制以专家的经验来实时调整控制器的参数，结果证明在复杂干扰的情况下仍能取得良好的控制效果。

　　锅炉专家控制算法本文构造了一个专家系统与实时控制协调的实时控制系统，根据水位偏差负荷变化及变化率或母管压力的变化由专家系统根据规则选用合适的参数值，极端情况下，专家系统接管实时控制进行直接专家控制输出，以尽快使水位回到正常值。

　　控制框图如图所示。

　　年图锅炉汽包水位专家控制原理图皿一三冲量水位控制器外环控制器，m或专家控制器由决定）三冲量水位控制器内环控制器，刊或专家控制器由决定专家决策控制器与三冲量水位内环对象特性味三冲量水位外环对象特性水位测量变送蒸汽负荷或负荷变化率给水压力或蒸汽压力给水压力巧蒸汽压力蒸汽流量前馈系数专家控制器根据系统所采集的水位偏差配负荷变化或变化率却及母管压力（的变化根据规则表选用合适的参数值。

　　由控制及运行专家根据系统动态所整定的几组参数值预先以表格或规则的形式存人专家控制器的规则库中。

　　同时也根据负荷变化等情况调整前馈系数值。

　　当遇到极端情况时，如水位偏离偏差高限负荷太低使调节阀处于强非线性工作区负荷波动速率太大常规控制作用太弱等情况出现时，由决定把汽包水位内外环控制器由控制切为基于专家经验的规则控制。

　　因此这里的实际上是控制器与专家控制器的组合。

　　它们的切换由协调决策的专家控制器掌握。

　　改变控制器参数和控制方式的原则是使汽包水位在大偏差时尽快回到规定值，大干扰引起大波动时尽可能的维持在规定的水位控制限内。

　　专家系统的人机界面侧三主要用于规则的实时修改。

　　从控制结构来看，本文所给出的仍是以主蒸汽流量为前馈的三冲量给水控制系统。

　　但它已远远不同与普通的固定参数的控制。

　　主要的不同点是控制器的参数并非固定一组，而是根据水位系统所处动态环境的不同，仿专家经验选取较合适的控制参数。

　　这种控制参数随动态不同而改变的策略显然会改善控制品质。

　　控制参数事先根据专家经验离线整定完毕，实时控制中专家控制器只是根据对象的模糊化信息通过规则进行选取，这种方法虽然在精度上比实时整定保守，但它更可靠，且实时性强，没有参数整定时间。

　　极端情况下直接对调节阀进行规则控制或直接改变内环流量设定值进行单回路控制）可能迅速遏制系统向更坏的方向发展，快速把系统拉回正常值而常规控制基于增量的输出作用在极端情况下往往太弱，使操作人员不得不切为手动操作。

　　从这一点上说，这也是仿人控制的一种。

　　控制结构及参数的调整方法汽包水位控制方式及控制参数专家调整表（表l）介绍了控制方式及控制参数的调整方法。

　　表汽包水位控制方式及控制参数专家调整表水位系统模糊状态选用控制方式控制器参数此，三冲量串级此，幼三冲量串级咫，此，胡专家直接控制其中皿，却分别为汽包水位偏差水位偏差变化率母管压力负荷及负荷变化率的模糊化值，为模糊函数，为模糊限值。

　　耐加〕洲〕机电工程幻年第卷第期实时控制中用产生式规则方式实现纽，山伍入三冲量串级控制控制参数为内环州，侧外环此，山皿作夕件基于经验的规则控制图为邓锅炉汽包水位专家控制结构详图，图中详细描述了控制方式及控制参数的专家调整原则。

　　低负荷专家规则控制去家抑前恢系数前该系数痴叮较大较小限值内限值外大限值外组专家规则控制定或直接关小阀门。

　　水位偏差太大时，利用专家经验直接设定流量值或直接开关阀门，以使水位迅速回到正常值。

　　专家规则控制主要有两种方式直接以产生式规则方式作用于调节阀。

　　如水位报警高限给水调节阀二全关2）规则调节副环给水流量的设定值，内环仍进行即控制，控制结构由三冲量串级改变为规则调整设定值的单回路随动控制系统如曲负荷变化限值给水流量设定蒸汽流量偏差补偿其中偏差补偿由运行工程师根据实际情况设定。

　　现场控制效果上述控制系统于年月在浙江省嵘州市热电厂炉循环流化床锅炉调试投运成功。

　　取得了很好的控制效果。

　　由于该厂热电联供，以供热为主，故负荷波动大母管制给水运行，锅炉均为操作人员手工操作，操作随意性大，经常出现炉抢水现象，故对象特性波动大。

　　尽管运行环境恶劣，但由于设计中已考虑到各种情况，故自控运行良好，一直保持高投人率。

　　小结本文基于现场操作经验，采用实时专家控制系统的思路，详细讨论了一种专家系统与实时控制相结合的实时专家控制方法，并用此方法控制热电厂锅炉的汽包水位，使得锅炉水位即使在扰动幅度较大的情况下仍能保持自控，现场投运获得了良好的控制效果。

　　本文的控制算法对国内锅炉特别是运行环境恶劣的热电锅炉的自控长期连续投运有很好的指导价值。

　　参考文献飞。

　　e，工内、à图锅炉汽包水位专家控制结构图锅炉在只供热供汽时负荷可能很低，这时调节阀开度一般都很小，工作在强非线性区，常规的控制效果不好，此时采用专家规则控制。

　　锅炉在突然停热（汽）负荷或发电机甩负荷时，锅炉动态变化很大，从给水量蒸发量静态平衡观点看，此时调节水阀应立即大幅度关小，常规控制输出增量较小达不到操作要求，此时亦仿人工操作，切为专家控制，迅速减小流量设李士勇等。

　　模糊控制和智能控制理论和应用哈尔滨哈尔滨工业大学出版社。

　　俞海斌。

　　循环流化床锅炉的先进控制策略及工程应用研究仁浙江大学博士学位论文。

　　浙江大学张玉铎，王满稼。

　　热工自动控制系统北京水利电力出版社。